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基于区块链技术学生健康档案管理的革新与发展

作者: 浏览数: 关键词: 革新 区块 档案管理 发展 学生


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摘要:大体量的学生健康档案管理亟需先进的信息化管理方式和手段。区块链技术去中心化、去信任化、数据透明、不可篡改的优势,能有效实現解决健康档案管理有史以来存在的诸多难题与隐患,规避了传统的档案管理方法中档案漏发、错发、医疗数据交换的安全认证、个人数据的隐私等问题。文章基于区块链技术实现了在学生健康档案管理中的应用价值以及安全问题跳跃,区块链技术的应用一方面有利于医疗数据的开放,另一方面也能保护隐私以及有效降低健康大数据管理的成本。

关键词:区块链;学生健康;电子档案管理

早在2009年,卫生部相继发布了《健康档案基本框架与数据标准(试行)》、《基于健康档案的区域卫生信息化建设指南(试行)》、《电子病历基于架构与数据标准(征求意见稿)健康档案基本架构与数据标准(试行)》等文件;2013年国务院办公厅发布关于《深化医药卫生体制改革2013年主要工作安排》的通知,提出研究建立全国统一的电子健康档案、电子病历、药品器械、公共卫生、医疗服务、医保等信息标准体系。因此,信息化的学生健康档案管理早已刻不容缓,也更加符合我国卫生事业发展的趋势。关于电子健康档案的建设也早有许多学者发表了自己的意见和看法,如时峰,魏健,王超发表在《生物医学工程学进展》的“电子健康档案管理探讨”、项莹, 杨华, 谭建刚发表在《中国公共卫生管理》的“企业参与社区电子健康档案管理模式研究 ”、吴思静,郭清学者发表在《中国全科医学》的“国内外电子健康档案的应用现状与发展困境 ”等,提出了一些经验成果能服务我国的EHR快速发展,但是电子健康档案的信息安全性问题在诸多文献中被反复提及,难以得到妥善的解决。

而区块链技术最重要的功能就是用加密和共识算法建立了信任机制,让抵赖、篡改和欺诈行为的成本巨大,保证了数据的不可篡改和不可伪造,实现了数据的完整性、真实性和一致性。高校作为一个人口密度高的教育机构,信息化的学生健康档案的建立对其有重大意义。学生健康档案是反映学生健康状况的真实记录,其重要参考价值有利于国家及时发布推进学生甚至是国民健康管理的相关政策。区块链技术有助于建立更加全面、安全、公正的学生健康档案系统。本文根据区块链技术的基本概念和技术特点,提出了学生健康档案管理的探索性思路和建议。

一、区块链技术

(一)区块链的起源与发展

区块链概念首次由Nakamoto在2008年发表的Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System一文中提出,区块链技术被认为是构建比特币数据结构与交易信息加密传输的基础技术。区块链技术凭借可共享、可编程、安全可信等特点,对金融交易以及其它社会服务产生巨大影响,已得到各国各行各业的高度关注。2016年,英国首席科学家发布的白皮书讲到区块链是从上到下万业可用,包括医疗、民生、政务、人员等;2019年3月,美国卫生与公众服务部持续探索区块链技术,投资了价值700万美元的“智能采购”人工智能和区块链计划;澳大利亚公布国家区块链线路图,拟增投资金促进区块链产业发展。

而我国于2013年年底,人民银行等五部委发布《关于防范比特币风险的通知》,《通知》中明确了比特币的性质,并不是真正意义的货币。比特币不具有与货币等同的法律地位。但这并不意味着比特币背后的区块链技术也被我国禁止,相反区块链技术在我国发展势头相当迅猛,根据工信部2018年3月发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书》,截至2018年3月底,我国以区块链业务为主营业务的区块链公司数量已经达到了456家,白皮书还首次提出了我国区块链技术发展路线图和标准化路线图等相关建议。

(二)界定的概念与特征

目前对区块链并没有非常明确的定义,国内外学者对于区块链的概念也有不同的解释。美国学者Swan认为区块链技术是一种公开透明的、去中心化的数据库;Anthony Lewis认为区块链是一种既可公用也可私有的分布式数据库;国内学者骆慧勇认为区块链技术是指不依赖第三方、通过自身分布式节点进行数据交互、验证、存储的一种技术方案;姚国章等认为区块链是通过去中心化和去信任化的方式,由参与其中的成员共同维护一个特定数据库的技术方案。综上所述,笔者认为区块链是通过密码学、点对点网络通信、共识算法、智能合约等多项技术有效组合,为数据存储、流和处理构建的新型分布式计算体系架构。

根据2016年工业和信息部发布的白皮书,从狭义来讲,区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合而成的一种链式数据结构,并以密码学的方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本,能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内进行验证的数据。从广义来讲,区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点公式算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式架构与计算机范式。

区块链技术有五个核心特征:去中心化、开放性、自治性、信息不可篡改、匿名性。换句话说,区块链技术的开放性和去中心化等关键特征,能够有打破信息不对称、陌生人信任、交易成本高等难题。因此区块链技术的被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动/社交网络之后计算范式的第五次颠覆式创新。由于网络中各节点的权限对等,系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护,所有的交易记录在全网公开透明,所有节点能够在去信任的环境自由安全地交换数据,所以区块链具有去中心化、开放性、自治性等核心特征;同样,由于区块链采用非对称密码学技术对交易数据进行加密,节点间的交换遵循固定的算法,其数据交换不需要信任,因此区块链又具有信息不可篡改和匿名性的典型特征。

(三)区块链的结构与分类

在区块链结构中,一段时间内的信息(包括数据或代码等)被打包成一个区块,添加时间戳标记后与上一个区块衔接在一起,从而形成新的区块,首尾相连,最终形成了区块链。

区块链目前分为三类:公有链、联盟链和私有链。公有链的各个节点可以自由加入和推出网络,任何团体或个人都可以参与共识过程。公有链也是最早出现的区块链,被认为是“完全去中心化”的。联盟链是一种由预先选定节点决定共识过程的区块链,只有经过授权后才能加入和退出网络。联盟链是一种半中心化的网络,查看区块链的权利可以是公共的或者仅限参与机构。当前公有链表现出的块链过大、交易确认时间过长、拥塞等问题,使服务于专业化、行业化、领域化的联盟链受到诸多机构和组织的特别关注。

私有链的块链的写入权限由中心化节点或一个组织所控制,而读取权限则根据是公共的或受到不同程度的限制。私有链一般应用于开发测试环境或运营方的客户既有较大数量的公众用户,需要借助区块链的分布式运行特征来保证网络服务的可靠性。但采用封闭的私有链来提供服务于传统的中心化平台提供服务,对用户而言并无本质的不同,在实际的运营网络中,私有链并没有让人看到特别的商业价值。

总体而言,联盟链结合了公有链的完全开放和私有链的高度集中,提供了一种较为妥善折中的方式;而私有链由于完全限制的写入权和高度受限的查询权,保护个人隐私较为合适。

(四)相关应用

国外学者Swan探讨了区块链的发展蓝图,提出了区块链1.0、区块链2.0和区块链3.0的概念。其中,区块链1.0是指加密货币或与其相关的数字支付系统,区块链2.0包括在链上实现的应用于金融、市场、财政等领域的智能合约。而区块链3.0的概念则是区块链在其他更为广阔的领域中的应用,例如管理、医疗健康、基础服务等。

国内各行各业的学者也发表了诸多区块链应用文献。例如,在金融领域,宫晓林等学者认为区块链技术的出现为解决传统金融模式信息不对称问题提供了方案,未来可能给金融行业带来很大的变化;在教育领域,余燕芳、葛正鹏探讨了基于区块链技术的学分银行信息系统,认为区块链技术在学习者的学习过程轨迹与学习成绩数据分布式存储、学位证书信息等方面存在巨大的潜力;再如前几年十分火热的共享经济,于博认为区块链技术解决了共享经济中的信任问题,为共享经济的应用提供了天然平台和技术支撑。另外,还有学者研究了区块链在政务、供应链和保险业等领域的应用前瞻。

可以说只要是有防篡改数据记录、审计需求,业务上涉及交易、结算、清算、仲裁的行业,都是区块链+的潜在应用对象。在健康领域,医疗机构的医疗资料处于相对保密状态。如果个人需要从医疗机构获取医疗数据,有一定的门槛和成本,而且医疗机构之间暂时也无法实现数据交换。其原因是医疗机构对自己的保护。更深一层的原因是目前无法保证数据交换的安全性。

若是在健康领域使用区块链技术,可采用多电子签名授权机制来管理权限。医疗数据生成的每个环节都会有相应的数据,建立多电子签名授权机制的权限管理,可确保数据不被篡改,生成是可追踪的。区块链使用“工作负载证明”和“权利证明”或其他共识机制,再加上区块链的加密技术,将不可信网络变成可信网络。所有参与者不需要信任单个节点,只需在某些方面达成一致即可。这就解决了医疗数据交换中的信任问题。

二、基于区块链技术的学生健康档案管理系统搭建依据

(一)区块链技术下学生健康档案管理方案设计思路

从技术角度来看,区块链中的“时间戳”使每一个数据都有其原始的证明,可以对原始电子档案进行追溯,记录档案生命过程中的所有变化,有效地解决了信息的可变性问题。学生健康档案管理可采取私有链与公有链相结合的技术,其中私有链存储电子健康档案,公有链存储私有链的哈希值,间接实现了公有链对电子健康档案的保护,还兼具了公有链安全性高和私有链成本较低的优势。

从管理的角度来看,区块链技术的共识机制构建了网络上的信任体系。区块链中的每个节点由计算机和其他参与档案管理数据存储的终端组成。只有当信息被大多数节点信任时,才能记录存档。第三方不再需要在区块链中参与信任共识,管理的时间成本从而大大节省,还显著提高了档案数据管理的效率。

从社会的角度来看,区块链技术能树立公众对电子信息存储和使用的信心,高校更有可能通过现有的权限来获取学生信息。通过大规模的分析和定向选择,可以更有效利用学生健康数据,及时采取有效行动,也有利于高校统一管理。它不仅使大学生更加了解自身健康,还让高校对学生健康状况有了更清晰的认识。

(二)区块链技术下学生健康档案管理系统整体架构

区块链技术的应用不仅仅有利于高校档案管理部门的档案管理、领导层运用数据进行决策和提出方案,也可以被用来创建一个互通平台。高校提供优质的内容服务,从而获得学生的忠诚度,使高校学生成为区块链上内容的提供者,不断增强相互之间的联系,改变高校学生对健康管理认识模糊的现状,改善高校对学生健康档案管理方式。

平台的创建不仅仅要着眼于链的形成,更要关注时代社会的发展,适时地做出相关调整。平台的“入口”可以遍布在PC端、移动端APP,或者是微信公众号、微博官方号等诸多隐性登录“渠道”,能够为高校大学生创建多个跨平台的捷径,拥有沉浸式体验的愉悦感。

基于區块链的学生健康档案管理系统将由学生健康档案管理系统、区块链安全子系统和系统监控平台三部分组成。如图4所示,每个模块都有明确的分工。通过网络调用进行数据交互,不仅可以提供档案管理功能,还可以保证整个系统平台的稳定性和档案健康数据的真实性。

学生健康档案管理系统是整个基于区块链的档案管理系统的入口。普通用户仅仅只能通过该系统查询、核实和借用档案。而学生健康档案管理员可以管理用户和档案。健康档案的增加、更新、借用操作相关的信息,不仅存储在本地数据库中,而且可以通过接口调用同步到区块链安全系统。档案查询操作可以直接查询本地数据库,还可以通过接口查询区块链安全系统中的档案信息。健康档案的验证是通过接口将本地数据库的文件信息发送到区块链安全系统,凭此数据比较分析。

区块链安全系统的数据存储分为区块链和数据库两部分。数据库只保存档案的最新数据,以及档案的模糊查询,而电子档案的每个历史版本的都存储在区块链中。区块链安全系统通过接口接收和处理来自学生健康档案管理系统的请求,区块链上的学生健康档案信息可以通过区块链数据管理平台以更直观的方式来查看。用户可以使用平台进行模糊查询,查看学生健康档案的当前信息、历史信息,修改和借用文件日志,查看学生健康档案的数据统计,查看和重置接口的密钥。

以上的设计能解决区块链技术在数据存取上性能较低的问题,提供较为完善的档案保护和身份验证,防止了医疗数据的泄露,同时,也有利于医学和档案学的交流,促进两行业共同发展。

当然设计上还有些许不足和瓶颈,后续还需研究基于智能合约实现学生健康档案管理的身份认证以及档案的自动消除和解密等操作。未来高校若能使用区块链技术平台来保存学生健康的档案,如何构成联盟区块链,提高整个系统的去中心化程度,也需要深入研究探讨。

三、区块链技术在学生健康档案管理中的推广应用

在健康领域可使用电子病历和个人健康档案,其中电子病历能够在医疗机构之间实现共享的、数字化的患者医疗机记录,个人健康档案是患者能够随时阅读或者提供给医疗机构的自己的医疗记录,区块链技术可以让它们发挥更大的作用。因为区块链既能够让患者信息在多数机构中实现简单共享,也能够用电子签名保证信息的安全。具体而言,患者可以把自己的健康记录密码化并写入区块链,然后把这条附带使用期限、次数限制等条件的标记交给医疗机构,这样患者就能够让医生看到他们指定的数据,也就是说,患者自己掌握了访问控制的主动权。这就意味着我们的健康数据将交由我们自己来管理,我们将从被动管理变为主动管理。

作为学生,可以通过自己的唯一认证查询自己的所有数据,以获取所需的信息。任何健康数据的使用都需要经过数据产生者的书面授权同意,可以授权给医疗机构以开发更大的价值,但保证数据产生者的个体利益与隐私,是使用数据的前提。同时,高校可以有一定的权限获取学生健康数据,对大学生进行数据整合和分析,预测可能发生的事件,及时应对各种现象,提前制定应急预案。

另外,随着大数据技术在各领域的应用,学生产生的数据量将会呈现井喷式增长,导致区块链中的区块承载的数据信息越来越多,这对区块链数据库的存储空间提出更高的要求。因此,可将区块链技术与云存储技术相结合,既可解决数据存储空间问题,又能保证数据的不可篡改性。

四、结论与展望

到今天,人类文明的发展到达了一个前所未有的新阶段。数据量正以指数型增长速度膨胀,现有的以冯·诺依曼架构体系为基础的IT架构似乎已经接近其能力的极限。长远地说,地球上数据的存储介质也存在极限。区块链技术作为最新兴的互联网技术之一,它最终将会构建出多态化生态的价值互联网,从而颠覆和重塑许多行业。而区块链技术在健康领域里面的尝试应用,解决了全生命周期管理、真实完整性、各个医疗机构之间存在访问壁垒、信息不流通等突出问题,然而还存在将图像类型的数据用于建模和机器学习、医药溯源数据交易市场构建大数据交易平台等可研性。

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*基金项目:本文系江苏大学2018年度大学生实践创新训练项目,项目编号:201810299133X。

(作者单位:江苏大学)

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